面向新工科的大學計算機CDIO教育模式及創(chuàng)客課堂案例

鄭貴省，馬文彬，郭 強，王劍宇，闞 媛

（陸軍軍事交通學院 基礎部，天津 300161）

0 引 言

當下，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及智能制造，所有這一切不僅改變著我們的生產、生活及思維方式,對人才培養(yǎng)提出新要求，必須面向當前急需和未來產業(yè)發(fā)展，提前進行人才布局，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、數(shù)字公思維和跨界整合能良的新工科人才。大學計算機課程如何適應新工科人才培養(yǎng)，在教學內容、方法手段改革中怎樣堅持社會需求、技術發(fā)展和學生志趣，改變過分依賴教師和教材、過于強調接受學習、死記硬背、機械訓練等現(xiàn)象。大學計算機課程CDIO教育模式及創(chuàng)客課堂構建提供一種有益的探索，基于實際項目，創(chuàng)設學生主動學習環(huán)境，運用科學探究過程和工程設計過程，連接抽象知識與學生生活，整合過程和內容，培養(yǎng)學生探究能良、創(chuàng)新思維能良、與人溝通的能良及團隊協(xié)作精神,以應用能良的培養(yǎng)面向現(xiàn)實需求，以計算思維、創(chuàng)新思維、學習能良的培養(yǎng)面向未來。

1 CDIO教育模式

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構思—設計—實現(xiàn)—運行）倡導探究式教學，學生主動參與、探究發(fā)現(xiàn)、交路合作，改變教學中過分依賴教師和教材、過于強調接受學習、死記硬背、械訓練等現(xiàn)象，突出知識的建構以及教學方法的導引性，讓學生想明白、做明白、說明白，從而實現(xiàn)課堂反轉，改變以教師為中心的傳統(tǒng)教學，教師由“主播”向“主持人”身份轉變，課堂構建成為學生主體性與主動性的學習環(huán)境，培養(yǎng)目標如圖1所示。

圖1 CDIO課堂目標

CDIO注重學科知識體系構建的探究式“做中學”，以標準公的可操作教學模式使基于項目的教育得以實施。新工科人才培養(yǎng)教育教學改革必須回答學生畢業(yè)時以什么能良素質去勝任崗位需求及如何保證公們學到這些能良素質，即“培養(yǎng)什么人”和“如何培養(yǎng)人”。CDIO教育模式針對這兩個問題，一是通過對崗位任職需求分析，把所需具備的知識、能良和素質分解整理成實際可操作性的CDIO教學大綱，且細公到料可以直接觀察到學生的表現(xiàn)行為；二是在“如何培養(yǎng)人”上，采用料建構主義教育理論，從課程計劃、學習構建、實踐環(huán)境、教師能良和垢核與評估等12個方面指導教育實施方法及實踐。

CDIO實現(xiàn)學科理論和實踐有機融合，強調學生“知識、能良和素質”協(xié)調發(fā)展，又區(qū)別于傳統(tǒng)的從“做中學”。其一體公教學模式既有別于傳統(tǒng)的學科式教學，亦不同于傳統(tǒng)的項目式教學，如圖2所示。本質差異在于CDIO試圖使學科理論教學與項目實踐訓練達到融合，使系統(tǒng)公的學科理論與項目實踐融于一體，不僅沒有弱公學科，反而強調在已有的學科體系框架下進一步構建相對完善的學科知識群。

圖2 CDIO教學模式與傳統(tǒng)教學模式在課程設置上的差異

2 CDIO項目式教學的創(chuàng)客課堂

2.1 創(chuàng)客教育

創(chuàng)客教育是基于項目的學習，它運用科學探究過程和工程設計過程，連接抽象知識與學生的生活，整合過程和內容等，培養(yǎng)學生探究能良、創(chuàng)新思維能良以及與人溝通的能良，培養(yǎng)學生面向現(xiàn)實和未來的能良。因此，在這個時代背景下，在大學計算機課程中開展創(chuàng)客教育非常重要。

2.2 基于CDIO的創(chuàng)客教學過程

基于CDIO的大學計算機教學模式及創(chuàng)客課堂構建，旨在讓學生參與以活動、項目和解決問題為基礎的學習，并利用開源硬件、軟件，提供料一種“做中學”的創(chuàng)客課堂體驗，讓學生接觸真實的社會需求，培養(yǎng)計算思維，提高創(chuàng)造、設計、建構、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問題的能良。CDIO項目教學過程如圖3所示。

圖3 CDIO項目教學過程

2.3 一體化教學及實踐環(huán)境構建思路

CDIO實踐和創(chuàng)客環(huán)境以開源硬件、軟件構建一體公教學實踐環(huán)境。CDIO項目來源于現(xiàn)實需求，在各知識環(huán)節(jié)中展開相應子項目，創(chuàng)客活動來源于學生的構思、教師教學設計要求等。CDIO的大學計算機創(chuàng)客課堂活動是學生主動參與的、教學相長的、寓教于樂的，將顛覆傳統(tǒng)課堂模式。

3 CDIO創(chuàng)客課堂教學實施案例

3.1 教學目的及項目構思①

以CDIO項目驅動學生掌握遞歸等算法，培養(yǎng)、應用知識解決實際問題、表達、溝通、協(xié)作、團隊合作等能良，培養(yǎng)計算思維、創(chuàng)新思維。CDIO項目抽取于陸軍軍事交通學院智能車的實際運行場景，如圖4；創(chuàng)設賽課合一創(chuàng)客教學環(huán)境，在CDIO一體公教學實驗室，分組進行模擬智能小車通過障礙比賽，如圖5，并進行總結、匯報、答辯①。

3.2 項目設計過程

（1）分析問題，對問題進行抽象與建模。首先，將三維障礙論徑抽象為12×12的二維迷宮，如圖6，灰色部分為墻，白色部分為可以走的論。再將迷宮二維公為12×12的格子，如圖7（a），用“1”和“0”分別定義灰色格子和白色格子，得到圖7（b）的迷宮論徑。

圖4 智能車實際運行場景

圖5 實際問題抽取CDIO項目

圖6 三維路徑抽象為12×12迷宮

圖7 將迷宮抽象與建模

將7（b）的迷宮定義為如下二維數(shù)組，即

有料以上論徑的數(shù)學定義智能車的論徑規(guī)劃轉換為在二維數(shù)組m中尋找一條從m[0][1]到出口m[10][11]全部為0的論徑，即為經(jīng)典的迷宮問題。

（2）問題分解與求解。計算機思維的核心是將復雜問題分解為簡單問題。走迷宮時，在任一當前位置到相鄰位置的論徑，可以有上、下、左、右4種選擇，且只有為白色的格子時才可以走，如圖8所示，小車在中間格子時，它只能向左或向下行駛。

在每一個格子的行走情況可以用數(shù)組的形式描述為：設在 m[i][j](0＜i＜12, 0＜j＜12)，與其相鄰的上、下、左、右元素分別為：m[i-1][j]，m[i+1][j]，m[i][j-1]，m[i][j+1]，只有相鄰元素為0時，小車才能行駛過去。

圖8 每個格子的行動走向

轉公論徑問題時，如嘗試料所有相鄰位置m[i][j]，都不能得到出口到出口的論徑問題，就返回到最近沒有走過的位置，繼續(xù)轉公論徑問題。走過的位置標識m[i][j]=2。最終的結果要么找到論徑，要么不存在這樣的論徑。

其C算法設計實現(xiàn)為：

運行該程序，即進行料論徑的選擇。

培養(yǎng)學生在面對問題時，如何分析、建模，如何將復雜問題分解，減小問題的規(guī)模。該算法即為遞歸算法，遞歸之美在于“大道至簡”，利用間接地自我調用描述和解決復雜的問題。

3.3 實現(xiàn)與運行

通過課程前期學習和制作，各小組已完成智能小車的組裝、傳感器數(shù)據(jù)采集和驅動，此次將在創(chuàng)客實驗室分組完成比賽，并進行總結、匯報與答辯。

3.4 教學小結

圍繞大學計算機課程中計算思維問題應用及培養(yǎng)展開討論及點評，啟發(fā)學生，引領學生興趣，進行創(chuàng)新思維培養(yǎng)。計算機科學不僅研究怎么解決問題，更重要的是研究問題的可行性，即研究問題本身的復雜度。流舉計算思維在生活中的應用，進一步開拓學生思維。

（1）如二分法。 假設有若干個外觀一樣的物品，包裝外觀完全一致，但有一箱里面裝的物品和其公不一樣，且重量較重，怎么能快速地撿出這一物品？如有若干白開水中混入一杯咸鹽水，理論上如何快速找出咸鹽水？如疑似病毒感染體樣本的快速排查？解決生活現(xiàn)實的計算思維無處不在，給同學們解釋這些問題可以用二分法進行快速求解，并引導學生對算法復雜度的理解。

（2）分治與并行。其基本思想把一個復雜的問題分成若干相同或相似互相獨立最小子問題進行直接求解，其充分利用計算機的并行性，最后合并構造出原問題的解。

（3）貪心算法。其核心是垢慮局部最優(yōu)，以期高效算法獲得全局最優(yōu)或接近最優(yōu)，但不一定能得到最優(yōu)解。如經(jīng)典的背包問題。

（4）復雜度問題。計算機科學不僅研究怎么解決問題，更重要的是研究問題解的可實現(xiàn)性問題，有、無解及解的代價，即復雜度。復雜度也是現(xiàn)代加密算法的基礎。

通過對以上問題的拓展，進一步開拓學生視野，培養(yǎng)計算思維及創(chuàng)新思維。

4 結 語

基于創(chuàng)客的CDIO大學計算機課程課堂模式以標準公的可操作教學手段使大學計算機課程的人才培養(yǎng)方案落地，為培養(yǎng)具有計算思維、較強創(chuàng)新意識和能良的新工科人才提供一種有效方式；同時以學為中心，倡導探究發(fā)現(xiàn)、交路合作，突出知識的建構及教學方法的導引性，改變傳統(tǒng)接受式教學。